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CDMA Communications 扩频通信 第一章 绪论 Prof. 李平安 Wuhan Univ. of Tech. Email: Pingan_ 1 Chapter 1, Introfuction CDMA Communications 1.1 数字通信 通信技术的发展趋势： 模拟数字 固定移动 点到点网络 2 Chapter 1, Introfuction CDMA Communications What is CDMA 移动通信 Mobile Station Base Station Mobile Station Mobile Station Mobile Station Forward link Reverse link 3 Chapter 1, Introfuction CDMA Communications What is CDMA 信号的可分性 1 0 0 0 1 0 0 0 1 women Men 4 Chapter 1, Introfuction CDMA Communications What is CDMA Code Code division Multiple access CDMA TDMA? FDMA? 1 0 0 0 1 0 0 0 1 5 Chapter 1, Introfuction CDMA Communications How to realize CDMA Modulation S(t) C(t) d(t)=S(t)C(t) 6 Chapter 1, Introfuction CDMA Communications What will happen with this modulation ? 7 Chapter 1, Introfuction CDMA Communications 1.2扩频通信概念 扩频技术是利用与传输数据（信息）无关 的伪随机码对传输信号扩展频谱，使之占 有远远超过原有信息所需的带宽，在接收 机中利用本地码对接收信号进行同步相关 处理，以解扩和解调数据。 8 Chapter 1, Introfuction CDMA Communications 扩频通信系统 9 Chapter 1, Introfuction CDMA Communications 扩频信号的功率谱 10 Chapter 1, Introfuction CDMA Communications 扩频信号三个特征 扩频信号是不可预测的伪随机的宽带信号； 传输带宽远大于被传送信息的原始带宽； 接收机中必须有与宽带载波同步的副本。 q标准的频率调制、脉冲编码调制也扩展了原始信 号的频谱，但不完全满足上述条件，不能称为扩 频系统。 11 Chapter 1, Introfuction CDMA Communications 1.3 扩频的基本原理 仙农（shannon）公式： C：信道容量 W：信道带宽 N：噪声功率 S：信号 功率 含义：一个信道无误差的传输信息的能力取决 于信道中的信噪比以及用于传输信息的信道 带宽。 12 Chapter 1, Introfuction CDMA Communications 说明： 给定的信道容量可以用不同的带宽和信噪比来组合传输 给定信噪比，只要增加用于传输信息的带宽，理论上就 可以增加在信道中无误差地传输的信息率 在同样的信道容量下，增大传输带宽可由较小的信号传 输功率传送，这表明宽带系统具有较好的抗干扰性（通 常所谓用带宽换功率）。 13 Chapter 1, Introfuction CDMA Communications 工程应用 工程上实现的一种应用： 直接序列扩频处理增益可达到70dB，如 果系统的基带滤波器输出信噪比为10dB，那 么这个系统的输入端信噪比为60dB。也就 是说，信号功率可以在低于干扰功率60dB的 恶劣条件下正常工作。 14 Chapter 1, Introfuction CDMA Communications 1.4 扩频通信的优点 干扰抑制 增加通信保密性 提高时间分辨率 实现多用户同时同频通信 15 Chapter 1, Introfuction CDMA Communications 1.4.1 干扰抑制 16 Chapter 1, Introfuction CDMA Communications SIR 增益 P2 P1 P3 P2 P3 P1 P2 P3 P1 Despreading Wideband Interference spreading 17 Chapter 1, Introfuction CDMA Communications SIR 增益 P1 P1 J P1 Despreading NarrowBand Interference spreading J 18 Chapter 1, Introfuction CDMA Communications 白噪声中的扩频 De-spreading Spreading 19 Chapter 1, Introfuction CDMA Communications 1.4.2 降低能量密度 P P/B N0 P N0 P/W B W P/BP/W 20 Chapter 1, Introfuction CDMA Communications 保密例子 图4 辐射仪 辐射仪（radiometer）：敌方用于功率检测的仪器辐射仪。 在时刻t = T，积分器的输出与预设的门限值比较，若积分 器的输出大于门限值，则判为信号存在；否则认为信号不 存在 21 Chapter 1, Introfuction CDMA Communications 1.4.3 提高时间分辨率 测距和定位：利用脉冲在信道中的传 输时延可以计算出传播时间 时延测量的不确定度与脉冲信号带宽 成反比 22 Chapter 1, Introfuction CDMA Communications 1.4.4 多址接入 23 Chapter 1, Introfuction CDMA Communications 1.5 扩频技术的种类 直接序列（DS）系统：用一高速数字编码序列直接调制发 射机载波 跳频（FH）系统：使发射机频率在一组预先指定的频率上 按照编码序列所规定的顺序离散的跳变 线性调频（chirp）系统：在这种系统中，载频在一给定的 脉冲时间间隔内线性的扫过一个宽的频带 跳时（TH）系统：这种系统与跳频系统类似，TH系统是 用编码序列控制发射时间（通常密度大，而持续时间短） 和时间的长短； 混合扩频系统，如DS/FH, DS/TH, FH/TH 及DS/TH/FH。 24 Chapter 1, Introfuction CDMA Communications 1.6 扩频通信的发展历史 1949年美国的国家电话电报公司的子公司的联邦电信实验室 ，Derosa和Rogoff提出设想并生成出伪噪声信号和相干检 测的通信系统，成功地工作在New Jersey和California之间 的通信线路上。 1950年Basore首先提出把这种扩频系统称作NOMACS（ Noise Modulation and Correlation Detection System） 这个名称被使用相当长的时间。 1951年春天，美国陆军通信协会要求MIT电子研究实验室验 证一个NOMACS系统，目的是在远距离高频无线通信时不 再受敌方的人为干扰。后转入MIT的林肯实验室。 1952年由林肯实验室研制出P9D型NOMACS 系统，并进行 了试验。 25 Chapter 1, Introfuction CDMA Communications 扩频通信的发展历史 1955年生产成功并通过了测试。之后，美国海军和空军开始 验证各自的扩频系统，空军使用名称为“Phatom”（鬼怪， 幻影）和 “Hush-Up”（遮掩），海军使用名称为“Blades” （浆叶），美国海军采用跳频扩频方案。 1976年第一部扩频通信的概述性专著：Spread Spectrum Systems发表。 1978年在日本举行的国际无线通信咨询委员会(CCIR)全会对 扩频通信进行专门研究。 26 Chapter 1, Introfuction CDMA Communications 扩频通信的发展历史 1982年美国第一次军事通信会议展示了扩频通信在军事通信 中的主导作用，报告了扩频通信在军事通信各领域的应用， 并开始民用扩频通信的调查。 同年第一部扩频通信的理论性专著Coherent Spread Spectrum 问世。 1985年之后民用扩频通信系统发展。 到八十年代，它已经广泛应用于各种战略和战术通信中，成为电 子战中通信反对抗的一种十分重要的手段。 27 Chapter 1, Introfuction CDMA Communications 1.7 扩频技术的应用 测距 军用扩频系统组网 快速跳频电台 精确制导 移动通信 电子对抗中的扩频技术 28 Chapter 1, Introfuction CDMA Communications 1.7.1 测距 目标距离d与时延的关系 ： 单脉冲测距：测距精度与作用最远距离互为矛盾。 扩频技术：伪随机编码信号的周期可以做得很长，相 关特性尖锐，采用相关检测的方法，使测距抗干扰 能力大大增强，测距精度也得到提高，测量距离也 大大增加。 29 Chapter 1, Introfuction CDMA Communications 测距 应答式直扩伪随机编码测距系统 30 Chapter 1, Introfuction CDMA Communications 1.7.2 作频率标准 伪随机编码信号构成信号源：伪随机编码信号具 有尖锐的相关特性，在相当宽的范围内，它的功 率谱几乎都是均匀的，谐波谱十分丰富，因此可 用来产生所需的频率。 31 Chapter 1, Introfuction CDMA Communications 1.7.3扩频技术在战术通信中的应用 美军单信道地对空无线电系统（Sinegars-V）：一 种VHF跳频电台。 工作频段3088MHz，2320个频率点，频率间隔 25kHz，采用了微处理技术，可配用自适应调零天线 。可用于16kb/s数字电话。数据传输率可变，最大 16kb/s。跳频技术在80100跳/s之间，跳频工作和 传统工作方式兼容。从83年起10年内用25万台换装 ，耗资约10亿美元。 32 Chapter 1, Introfuction CDMA Communications 扩频技术在战术通信中的应用 英国Plessey 4000电台：工作频段230MHz与30 88MHz相结合。积木式结构，配有自适应调零 天线，可用跳频或直接序列扩频工作。 以色列Tadiran公司的Shamir系列电台，它包括 了VRC-80背负式、VRC-800短距离车载式和VRC- 8000远距离车载式电台，这些电台性能规格与美 国Sinegars-V电台相似。 33 Chapter 1, Introfuction CDMA Communications 1.7.4 CDMA扩频移动通信 IS-95： 1980年直接序列CDMA被研制最终导致了蜂窝扩频通 信的商务应用。CDMA IS-95在1993年被标准化，1996 年开始进入商用。 IS-95 CDMA数字蜂窝系统用来进行移动话音通信， 同时也用于一些新的服务类型，如移动传真和数据传输 。IS-95系统同模拟蜂窝系统AMPS（Advanced Mobile Phone System）使用相同的频带。 34 Chapter 1, Introfuction CDMA Communications CDMA扩频移动通信 W-CDMA： cdma2000 TD-SCDMA 35 Chapter 1, Introfuction CDMA Communications 1.8 扩频通信的基本参数 1.8.1 处理增益 定义：输出信噪比与输入信噪比之比称为系统处理增 益 或 36 Chapter 1, Introfuction CDMA Communications 例如一个扩频系统，W20MHz， B10kHz 则Gp10lg(20106 ) /(10103 )=33dB 37 Chapter 1, Introfuction CDMA Communications 各种扩频系统处理增益表示 扩频方式Gp的近似值 直接序列（DS）W/B 跳频（FH）N（频率点数） 线性调频（chirp）T 跳时（TH）1/占空比 DS/FHGp(DS)+Gp(FH) (dB) DS/FHGp(DS)+Gp(TH) (dB) FH/THGp(TH)+Gp(FH) (dB) 38 Chapter 1, Introfuction CDMA Communications 1.8.2 干扰容限 定义：在保证系统正常工作的条件下（系统输出信噪比一 定），接收机输入端能够承受的干扰